浅谈高层建筑物的防震理念

浅谈高层建筑物的防震理念

舒维莉

（富顺县防震减灾办公室四川自贡643200）

【摘要】随着社会的发展和科技的进步，我国高层建筑的数量不断增多，高度不断的增加，虽然我国的高层建筑施工工艺已经有了长足的发展，但是抗震结构仍然存在很多问题。本文主要探讨高层建筑物的防震理念。

【关键词】高层建筑，抗震，常见问题，设计原则，措施

中图分类号：TU972文献标识码：Ａ文章编号：ISSN1004-1621（2017）01-069-02

高层建筑是社会经济发展和科技进步的产物。随着大城市的发展，城市用地紧张，市区地价日益高涨，促使近代高层建筑的出现，电梯的发明更使高层建筑越建越高。宏伟的高层建筑是经济实力的象征，具有重要的宣传效应，在日益激烈的商业竞争中，更扮演了重要的角色。城市的高层、超高层建筑越来越多，相关安全性问题也备受关注这就使得房屋建筑物的抗震性能显得尤为重要。

一、建筑抗震的理论分析

1建筑结构抗震规范。建筑结构抗震规范实际上是各国建筑抗震经验带有权威性的总结，是指导建筑抗震设计(包括结构动力)计算，结构抗震措施以及地基抗震分析等主要内容)的法定性文件它既反映了各个国家经济与建设的时代水平，又反映了各个国家的具体抗震实践经验。它虽然受抗震有关科学理论的引导，向技术经济合理性的方向发展，但它更要有坚定的工程实践基础，把建筑工程的安全性放在首位，容不得半点冒险和不实。正是基于这种认识，现代规范中的条文有的被列为强制性条文，有的条文中用了"严禁，不得，不许，不宜"等体现不同程度限制性和"必须，应该，宜于，可以"等体现不同程度灵活性的用词。

2抗震设计的理论拟静力理论。拟静力理论是20世纪10～40年代发展起来的一种理论，它在估计地震对结构的作用时，仅假定结构为刚性，地震力水平作用在结构或构件的质量中心上。地震力的大小当于结构的重量乘以一个比例常数(地震系数)。反应谱理论。反应谱理论是在加世纪40～6O年代发展起来的，它以强地震动加速度观测记录的增多和对地震地面运动特性的进一步了解，以及结构动力反应特性的研究为基础，是加理工学院的一些研究学者对地震动加速度记录的特性进行分析后取得的一个重要成果。动力理论。动力理论是20世纪70-80年广为应用的地震动力理论。它的发展除了基于60年代以来电子计算机技术和试验技术的发展外，人们对各类结构在地震作用下的线性与非线性反应过程有了较多的了解，同时随着强震观测台站的不断增多，各种受损结构的地震反应记录也不断增多.进一步动力理论也称地震时程分析理论，它把地震作为一个时间过程，选择有代表性的地震动加速度时程作为地震动输入，建筑物简化为多自由度体系，计算得到每一时刻建筑物的地震反应，从而完成抗震设计工作。

二、主要抗震结构体系

1高层砌体房屋。是以砌体（无筋砌体或配筋砌体）抗震墙为抗震结构体系，其中以横墙承重为主的结构体系较有利，承重横墙兼作横向抗震墙，纵向自承重墙作为纵向抗震墙，必要时也可以采用纵、横墙混合承重。

2高层内框架房屋。指外墙为砖墙垛（或壁柱）承重，内柱为钢筋砼柱承重的房屋，适用于工艺上需要较大空间或使用上要求有较空旷的大厅的轻工厂房和民用公共建筑等。

3底层框架砖房。底层要求有较大空间作商店、服务大厅等，上部则为隔墙较多的住宅或办公楼，是一种上下材料不同、强度和刚度不连续的结构体系，在抗震设计中有较严格的要求。

4框架结构。多应用于高层及高层民用建筑和高层的工业建筑，建筑平面布置灵活，易于布置较大房间。但纯框架结构侧向刚度小，属柔性结构，故其层数和高度都受到一定限制。

5框架－抗震墙结构。在高层和高层钢筋混凝土房屋的纵向和横向布置适当的抗震墙，并与框架结构形成框架－抗震墙协同工作的结构体系。在地震作用下层间位移比纯框架结构显著减小，故其建筑高度可以高很多。

6抗震墙结构。是全部由纵、横抗震墙组成的结构体系，其抗震性能较好，在高层住宅、公寓、旅馆等建筑中广泛应用。

三、我国高层建筑抗震设计中存在的问题

1部分建筑物高度过高。按我国现行高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2010)规定，在一定设防烈度和一定结构型式下，钢筋混凝土高层建筑都有一个适宜的高度[14]。这个高度是我国目前建筑科研水平、经济发展水平和施工技术水平下，较为稳妥的，也是与目前整个土建规范体系相协调的。可实际上，已有许多混凝土结构高层建筑的高度超过了这个限制。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度：一要有专家论证，二要有模型振动台试验。在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。因为随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。

2地基的选取不合理。现代城市不断的发展，而人口也在不断增多，城市的人均占有面积已经在逐渐减少，但很多建筑商忽略了这一个问题，他们发现哪里的利润空间大，就会在哪里施工，但高层建筑应该选择地域宽阔的土地，同时要保证土地的坚硬或密实均匀中，远离河岸，不应垮在两类土壤上，避开不利的地形或异性地形，例如：断层、山崖、滑坡、地陷等，在这些地段开展建设也会遭遇很多危险。因此，地基选择的错误还可能导致抗震能力差。

3材料的选用不科学，结构体系不合理。特别是在地震多发地区，建筑材料的选择和结构体系的设计受到人们广泛的关注和重视。目前，我国建筑物主要是由钢筋混凝土组成的。因此，变形的控制与设计必须以钢筋混凝土结构的位移限值为准。但是，钢筋混凝土的弯曲变形侧移较大，如果利用钢框架来减少位移，不仅会增加钢筋的负荷，且无明显的辅助效果，为此，有时还必须加大混凝土的刚度或设置伸臂结构，这样才能勉强满足其位移控制标准。

4轴压比与短柱问题。在钢筋混凝土高层建筑结构中，往往为了控制柱的轴压比两使柱的断面很大，而柱的纵向钢筋却为构造配筋。即使采用高强混凝土，柱断面尺寸也不能明显减小。限制柱的轴压比是为了使柱子处于大偏压状态，防止受拉钢筋未达屈服而混凝土被压碎，柱的塑性变形能力小，则结构的延性就差。当遭遇地震时，耗散和吸收地震能量少，结构容易被破坏。但是在框架中若能保证强柱弱梁设计，且梁具有良好延性，则柱子进入屈服的可能缝就大大减少，此时可放松轴压比限值。另外，许多高层建筑底部几层柱虽然长细比小于4，但并不一定是短柱。因为确定是不是短柱的参数是柱的剪跨比，只有剪跨比≤2的才是短柱。有专家学者提出现行抗震规范应采用较高轴压比。但是即使能调整轴压比限值，柱断面并不能由于略微增大轴压比限值而显著减小。因此在抗震的超高层建筑中采用钢筋混凝土是否合理值得商榷。

5较低的抗震设防烈度。现在许多专家学者提出，现行的建筑结构设计安全度已不能适应国情的需要，认为我国"取用了可能是世界上最低的结构设计安全度"，并主张"建筑结构设计的安全度水平应该大幅度提高"。此外，对于"小震不坏，中震可修，大震不倒"这个抗震设计原则，在新形势下也有重新审核的必要。我国现行抗震设防标准是比较低的，中震相当于在规定的设计基准期内(50年)超越概率为10％的地震烈度。我国建筑结构抗震设计除了设防烈度较低外，具体抗震计算方法和构造规定的安全度也不如国外，在配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等一系列保证抗震延性的要求上远不如国外严格。随着社会财富的增长。结构失效带来的损失愈来愈大，加之结构造价在整个投资中的比例下降，因而有人主张结构在设防烈度下应该采用弹性设计。

四、提高抗震性能的措施

1.选择合理结构类型。在高层建筑中，其竖向荷载主要使结构产生轴向力，而水平荷载主要使结构产生弯矩，随着高度的增加，在竖向荷载不变的情况下，水平荷载作用力增加，此时竖向荷载所引起的建筑物侧移很小，但是水平荷载参数的侧移就非常大，与高度层四次方变化因此在高层建筑中，主要对水平荷载进行控制。在设计过程中，应该在满足建筑功能及抗震性的前提下。选择切实可行的结构类型．使其具有良好的结构性能。目前大多数的高层建筑都采用了钢混结构，这种结构具有较大的刚度。空间整体性好，材料资源丰富．可组成多种结构体系。但是其变形能力差，造价相对较高，当场地特征周期较长时。容易发生共振现象。

2、减小地震能量输入。具有良好抗震性能的高层建筑结构要求结构的变形能力满足在预期的地震作用下的变形要求，因此在设计过程中除了控制构件的承载力外还应控制结构在地震作用下的层间位移极限值或位移延性比，然后根据构件变形与结构位移的关系来确定构件的变形值，同时根据截面达到的应变大小及分布来确定构件的构造要求，选择坚硬的场地土来建造高层建筑等方法来减小地震能量的输入。

3减轻结构自重。对于同样的地基条件下进行建筑结构设计若减轻结构自重则可相应增加层数或减少地基处理造价，尤其是在软土基础上进行结构设计这一作用更为明显，同时由于地震效应与建筑质量成正比，而高层建筑由于其高度大重心高等特点，在地震作用时其倾覆力矩也随之增加，因此，为了尽量减小其倾覆力矩应对高层建筑物的填充墙及隔墙尽量采用轻质材料以减轻结构自重。

4、尽可能设置多道抗震防线。当发生强烈地震之后往往伴随多次余震，如只有一道防线。则在第一次破坏后再遭余震．将会因损伤积累导致倒塌。抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量。提高结构抗震性能。避免大震时倒塌。

5、提高短柱抗震性能的措施按照规范。当按剪跨比λ判定柱子不是短柱时，按一般框架柱的抗震要求采取构造措施即可；确定为短柱后，就应当尽量提高短柱的承载力，减小短柱的截面尺寸，采取各种有效措施提高短柱的延性，改善短柱的抗震性能。目前常用的技术有分体柱技术、复合螺旋箍筋技术、钢骨混凝土柱技术和钢管混凝土柱技术。

6、采用钢管砼柱。钢管砼是由砼填入薄壁圆形钢管内而形成的组合结构材料，是套箍砼的一种特殊形式。由于钢管内的砼受到钢管的侧向约束，使得砼处于三向受压状态，从而使砼的抗压强度和极限压应变得到很大的提高，砼特别是高强砼的延性得到显著改善。同时，钢管既是纵筋，又是横向箍筋，其管径与管壁厚度的比值至少都在90以下，这相当于配筋率至少都在4.6％以上，这远远超过抗震规范对钢筋砼柱所要求的最小配筋率限值。

总之，地震是一种难以预测的严重自然灾害，它会给人类带来极大的危险和痛苦。而工程设计人员应在建筑结构的研究和工程设计中，从整体结构出发，处理好建筑功能、安全可靠性等问题，以便建设出质量更好的建筑，而新技术的发展以及计算机技术水平的提高，保证人类有更加优越的居住环境。总之，面对中国的高层建筑抗震结构存在的诸多问题，限于我国作为一个发展中国家的财力、物力探讨、研究有效的建筑抗震措施的任务仍然十分艰巨。与此同时，我国政府相关部门也应该加强规范力度，发挥好对高层建筑防震措施的检查、检验效力。

参考文献：

[1]高层建筑抗震设计存在的问题及对策陈健雄(珠海市斗门区政府投资建设工程管理中心，广东珠海519125)

[2]高层建筑抗震结构设计之探讨卢伟LuWei(浙江处州建筑规划设计院有限公司，丽水323000

[3]范俊梅.有关高层建筑结构设计抗震的几点思考[J].中国新技术新产品，2009-05-10.

[4]曾春燕.浅谈结构抗震概念设计[J].广东土木与建筑,2002(3):80-81.